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SANTA MARIA - RS QUÍMICA – 3ª SÉRIE DO ENSINO MÉDIO PROFª THAÍS RIOS DA ROCHA Nome:_____________________ Turma:_________ QUÍMICA ORGÂNICA Química Orgânica 2 SUMÁRIO 1. Introdução à Química Orgânica...............................3 2. A Química Orgânica e suas aplicações.....................4 3. Postulados de Kekulé..................................................4 4. Hibridização do átomo de carbono...........................5 5. Representações das cadeias carbônicas....................6 6. Ressonância.................................................................7 7. Classificação dos carbonos.........................................7 8. Classificação das cadeias carbônicas........................7 9. Funções Orgânicas......................................................8 9.1Nomenclatura de compostos com cadeia normal........8 9.2 Nomenclatura de compostos com cadeia ramificada.........................................................................9 9.3 Principais funções orgânicas....................................11 9.4 Hidrocarbonetos........................................................12 9.4.1 Hidrocarbonetos aromáticos...........................14 9.5 Álcool.......................................................................14 9.6 Enol...........................................................................15 9.7 Fenol.........................................................................16 9.8 Éter............................................................................17 9.9 Cetona.......................................................................17 9.10 Ácido carboxílico...................................................18 9.11 Aldeído...................................................................19 9.12 Éster........................................................................20 9.13 Amina.....................................................................21 9.14 Amida.....................................................................22 9.15 Demais funções orgânicas......................................22 10. Propriedades físicas e químicas dos compostos orgânicos........................................................................23 10.1 Polaridade e solubilidade........................................23 10.2 Tamanho da cadeia carbônica e solubilidade.........23 10.3 Ligações intermoleculares......................................23 10.4 Forças intermoleculares e ponto de ebulição..........24 11. Isomeria...................................................................25 11.1 Isomeria constitucional ou plana.......................... .25 11.2 Isomeria geométrica ou cis-trans............................27 11.3 Isomeria óptica.......................................................28 12. Reações orgânicas...................................................29 12.1 Reações de substituição......................................... 30 12.2 Reações de adição...............................................32 12.3 Reações de eliminação........................................34 12.4 Reações de oxirredução.......................................34 13. Bioquímica...........................................................36 14. Polímeros..............................................................39 Química Orgânica 3 1.Introdução à Química Orgânica Muitos dos métodos para a fabricação de diversas substâncias e materiais surgiram a partir do conhecimento da Química, principalmente com os estudos mais específicos da Química Orgânica. Desde a pré-história que são conhecidos processos de fermentação, os quais são produzidos por microorganismos, como a fermentação do açúcar para obtenção do álcool, fabricação de tintas a partir de corantes provenientes de plantas, oxidação de vinhos para a obtenção de vinagre. (1769-1786) Carl Wilhelm Scheele: Separou diversas substâncias orgânicas de produtos naturais. ácido tartárico ácido cítrico ácido lático. Suposição: as substâncias orgânicas não poderiam ser produzidas em laboratório. Química Orgânica: substâncias obtidas a partir de matéria viva, possuidoras de força vital e, por isso, impossíveis de serem sintetizadas a partir de materiais inorgânicos. Química Inorgânica: substâncias desprovidas de força vital, ditas inanimadas. TEORIA DA FORÇA VITAL OU VITALISMO Foi o primeiro cientista a sintetizar um composto orgânico (uréia) a partir de um composto inorgânico (cianato de amônio). O cianeto de prata, AgCN(s), era aquecido na presença de oxigênio do ar, O2(g), formando o cianato de prata, AgOCN(s). AgCN(s) + ½ O2(g) AgOCN(s) Em seguida, o cianato de prata, AgOCN(s), era tratado com solução de cloreto de amônio, NH4Cl(aq), produzindo precipitado de cloreto de prata, AgCl(pp), e cianato de amônio em solução, NH4OCN(aq). AgOCN(aq) + NH4Cl(aq) AgCl(pp) + NH4OCN(aq) A solução era filtrada e evaporada, restando apenas o cianato de amônio sólido. Porém, ao ser aquecido, o cianato de amônio se transformou em cristais brancos que Wohler logo reconheceu como ureia, a mesma substância que ele extraía com frequência da urina para utilizar em seus experimentos. NH4OCN(s) CO(NH2)2(s) NH4CNO aquecimento CO NH2 NH2 “Um fato notável, uma vez que representa um exemplo da produção artificial de uma substância orgânica de origem animal a partir de substâncias inorgânicas”. Características em comum dos compostos orgânicos: presença do elemento carbono Química Orgânica é o ramo da Química que estuda os compostos que contém carbono, chamados de compostos orgânicos. Mas e as substâncias inorgânicas que contêm carbono? Suas propriedades assemelham-se mais as das substâncias inorgânicas (aquelas que não contêm carbono) do que as das orgânicas. FORMAÇÃO DE CADEIAS CARBÔNICAS Fórmula Nome CO Monóxido de carbono CO2 Dióxido de carbono CS2 Sulfeto de carbono H2CO3 Ácido carbônico HCN Ácido cianídrico Século XVIII – XIX: Estudo das substâncias encontradas em organismos vivos. (1807) Jöns Jacob Berzelius: Subdividiu a Química em Orgânica e Inorgânica. (1828) Friedrich Wöhler: Derrubou a teoria da força vital. Definição da Química Orgânica Química Orgânica 4 2. A Química Orgânica e suas aplicações Não apenas somos constituídos em grande parte por compostos orgânicos, não apenas somos derivados e alimentados por eles, mas também vivemos em uma época onde o papel principal da Química Orgânica na medicina, na nanotecnologia e entre outras disciplinas é mais aparente do que nunca. A roupa que vestimos, seja ela de uma substância natural como a lã ou o algodão ou de uma substância sintética como o náilon ou um poliéster, é feita de compostos de carbono. Muitos dos materiais que participam das casas que nos protegem são orgânicos. A gasolina que impulsiona nossos automóveis, a borracha dos pneus e os plásticos do seu interior são todos orgânicos. Muitos dos medicamentos que nos ajudam a curar doenças e aliviam nosso sofrimento são orgânicos. Podemos destacar algumas das aplicações da Química Orgânica em nosso cotidiano tais como:3. Postulados de Kekulé Em 1958, foram previstos por August Kekulé e Archibald Couper, três postulados que indicam as propriedades dos átomos de carbono que caracterizam as substâncias orgânicas. Os átomos nos compostos orgânicos podem formar um número fixo de ligações. A medida dessa habilidade é chamada de valência. Vamos analisar o carbono: O carbono que está localizado no grupo 4A da tabela periódica, de acordo com a sua configuração eletrônica, apresenta 4 elétrons no nível mais externo, como podemos observar na configuração eletrônica. Essa característica permite a formação de ligações covalentes de diferentes tipos. Para adquirir estabilidade, o carbono compartilha os seus elétrons de valência com outros quatro elétrons de outros átomos, formando quatro pares de elétrons compartilhados, isto é, quatro ligações covalentes, sendo o carbono tetravalente. Ligações do carbono Esquema Exemplo 4 ligações simples C Metano, CH4 C H HH H 2 ligações simples e 1 ligação dupla C Eteno, C2H4 C C H H H H 1 ligação simples e 1 ligação dupla C Acetileno, C2H2 C CH H 2 ligações duplas C Propadieno, C3H4 C CC H H H H Os demais elementos fazem as seguintes ligações: Elemento Ligação Esquema Exemplo Hidrogênio 1 ligação simples H Gás hidrogênio, H H Oxigênio 2 ligações simples O Metanol O HH3C 1 ligação dupla O Gás carbônico O C O Nitrogênio 3 ligações simples N Amônia N H H H 1 ligação simples e 1 ligação dupla N Dimetilnitrosa mina NH3C CH3 N O 1 ligação tripla N Gás nitrogênio N N Elemento Carbono Número atômico (Z) 6 Número de massa (A) 12,0107 Localização na TP Grupo 14 Configuração eletrônica 1s 2 2s 2 2p 2 1º postulado – O carbono é tetravalente Química Orgânica 5 Importante: O hidrogênio está presente nos compostos orgânicos completando as ligações dos demais átomos. Exemplo: C CC C N C O N C C C C O O De acordo com a tetravalência do carbono, além da formação de quatro ligações simples com outros átomos, o carbono pode formar duas ou três ligações, denominadas ligações duplas e triplas. C O H H Metanal C OO Gás carbônico C NH Ácido cianídrico Os átomos de carbono apresentam a capacidade de unir-se formando sequências, sendo estas chamadas de cadeias carbônicas, como pode-se observar abaixo. CH H H C H H C H H C H H H 4. Hibridização do átomo de carbono Neste tópico vamos estudar a relação entre os orbitais atômicos e a estrutura espacial das moléculas orgânicas. O que são orbitais atômicos? Orbital é a região de maior probabilidade de se encontrar o elétron. - Cada orbital possui um formato espacial definido. - Existem 4 tipos principais de orbitais: s, p, d, f. - As hibridizações do carbono utilizam somente os orbitais s e p. Hibridização - O número de orbitais desemparelhados (orbitais incompletos) indica a quantidade de ligações covalentes que podem ser efetuadas. No entanto, o carbono possui apenas dois elétrons desemparelhados, podendo portanto, fazer somente duas ligações. Hibridização consiste na fusão de orbitais atômicos incompletos, que se transformam originando novos orbitais, em igual número. Esses novos orbitais são denominados de orbitais híbridos. � Existem três hibridizações para o átomo de carbono: sp 3 , sp 2 , sp. Geometria da molécula: tetraédrica Ângulo: 109,5° 2º postulado – O carbono forma ligações múltiplas Mais conhecido como formol ou formaldeído Principal gás causador do efeito estufa. Gás venenoso utilizado na 1ª Guerra Mundial 3º postulado – O carbono forma cadeias A hibridização é um fenômeno que permite ao átomo realizar um número maior de ligações, aumentando assim a sua estabilidade. HIBRIDIZAÇÃO sp 3 São formadas 4 ligações simples, também chamadas de ligações sigma, σ. C Química Orgânica 6 O carbono, em algumas moléculas, pode formar outro tipo de ligação, conhecida como ligação dupla. Na ligação dupla, além de uma ligação sigma σ, há também uma ligação pi, π. C Geometria da molécula: trigonal plana Ângulo: 120° Há compostos que apresentam uma ligação tripla entre os átomos de carbono. Na ligação tripla, existe a formação de uma ligação sigma, σ, e duas ligações pi, π. C C Geometria da molécula: linear Ângulo: 180° Exercício: (UDESC 2007) O composto α-farneseno é uma das substâncias encontradas no óleo de citronela, e tem a seguinte estrutura: Com relação a essa estrutura, pode-se afirmar que nela: I – Estão presentes 14 ligações sigma (σ) e 4 ligações pi (π). II – Dos carbonos presentes, 7 possuem hibridização sp3 e 8 possuem hibridização sp 2 . III – A geometria dos carbonos com hibridização sp3 é tetraédrica e a dos carbonos com hibridização sp 2 é trigonal plana. IV – Não existe nenhum carbono hibridizado em sp. Assinale a alternativa correta. a) Somente as afirmativas I, II, III e IV são verdadeiras. b) Somente as afirmativas I, III e IV são verdadeiras. c) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras. d) Somente as afirmativas III e IV são verdadeiras. e) Somente as afirmativas II, III e IV são verdadeiras. 5. Representações das cadeias carbônicas As moléculas orgânicas podem ser representadas de várias formas. Vamos considerar dois exemplos: propano e propeno. As formas mais comuns são mostradas a seguir. Fórmula estrutural tridimensional propano e propeno C C C C C C Fórmula estrutural plana C C C H H H H H H H H C C CH H H H H H Fórmula estrutural condensada CH3CH2CH3 CH2CHCH3 Fórmula estrutural parcialmente condensada CH3 CH2 CH3 CH2 CH CH3 Fórmula bastão ou bond line Fórmula molecular C3H8 C3H6 HIBRIDIZAÇÃO sp 2 São formadas 3 ligações sigma, σ, e 1 ligação pi, π. HIBRIDIZAÇÃO sp São formadas 2 ligações sigma, σ, e 2 ligações pi, π. Química Orgânica 7 6. Ressonância Ressonância é o termo usado para descrever uma situação na qual, sem mudar a posição dos átomos, podemos escrever mais de uma fórmula estrutural diferente, mudando apenas a posição de alguns elétrons. C C C C C C H H H H H H ou ou C C C C C C H H H H H H 7. Classificação dos carbonos A classificação de determinado átomo de carbono em uma cadeia carbônica apresenta como único critério o número de carbonos que estão diretamente ligados a ele. Assim, temos: Carbono primário (P ou 1º) É o átomo de carbono queestá ligado a apenas um outro átomo de carbono. C H H H C H H H Carbono secundário (S ou 2º) É o átomo de carbono que está ligado a dois outros átomos de carbono. C H C H C H H H H H H Carbono terciário (T ou 3º) É o átomo de carbono que está ligado a três outros átomos de carbono. C H H3C CH3 CH3 Carbono quaternário (Q ou 4º) É o átomo de carbono que está ligado a quatro outros átomos de carbono. C CH3 H3C CH3 CH3 Exercício: (FGV-SP) O composto de fórmula CH3 C CH3 CH3 CH C CH3 C H OH C H CH3 N H H C CH3 CH3 Apresenta quantos carbonos primários, secundários, terciários e quaternários, respectivamente? a) 5, 5, 2 e 1. b) 5, 4, 3 e 1. c) 7, 4, 1 e 1. d) 6, 4, 1 e 2. e) 7, 3, 1 e 2. 8. Classificação das cadeias carbônicas Abertas, acíclicas ou alifáticas NORMAL: possuem apenas duas extremidades de carbono. CH3 CH2 CH2 CH3 RAMIFICADA: possuem três ou mais extremidades de carbono. CH3 CH CH3 CH2 CH3 SATURADA: possuem apenas ligações simples entre carbonos. N C H C CH3 C O H INSATURADA: possuem pelo menos uma ligação dupla ou tripla entre carbonos. CH3 CH CH2 HOMOGÊNEA: não possuem heteroátomo. CH3 C O CH2 CH2 NH2 HETEROGÊNEA: possuem heteroátomo (átomo diferente de carbono entre carbonos). CH3 O CH2 CH3 Química Orgânica 8 Alicíclicas (fechadas que não possuem núcleo aromático) SATURADA: possuem apenas ligações simples entre carbonos. H2 C H2C O INSATURADA: possuem pelo menos uma ligação dupla ou tripla entre carbonos. H C HC CH2 HOMOCÍCLICA: Não possuem heteroátomo. H2C H2C CH2 CH2 H2 C HETEROCÍCLICA: Possuem pelo menos um heteroátomo. S H2C CH2 CH2 Aromáticas (possuem pelo menos um núcleo aromático) MONONUCLEARES: possuem apenas um núcleo aromático. POLINUCLEARES: possuem mais de um núcleo aromático. ISOLADOS E POLINUCLEARES: os núcleos aromáticos estão separados. C O CONDENSADOS E POLINUCLEARES: os núcleos aromáticos estão juntos. Exercício: Classifique as seguintes cadeias carbônicas: CH3 H C CH3 H C CH3 CH2 CH3 CH3 C O O CH2 CH2 9. Funções Orgânicas Função orgânica é a denominação dada ao grupo de compostos que apresentam comportamento semelhante. Praticamente todas as funções são caracterizadas e identificadas por um grupo funcional. Grupos funcionais: São átomos ou grupo de átomos que, além de identificar cada função, são os principais responsáveis pelas propriedades e reações dos compostos orgânicos. Alguns exemplos de grupos funcionais são: hidroxila (-OH), amino (-NH2), carboxila (-COOH), entre outros. 9.1 Nomenclatura de compostos com cadeia normal A nomenclatura oficial dos compostos da Química Orgânica consiste, fundamentalmente, de três partes: PREFIXO + INFIXO + SUFIXO Nº de átomos tipo de ligação grupo funcional de carbono Observação: Quando o composto apresentar cadeia cíclica escreve-se CICLO diante do nome do mesmo. Exemplos: BUT + AN + O (4 C) (Lig. simples) (Hidrocarboneto) Nº de C Prefixo 1 met 2 et 3 prop 4 but 5 pent 6 hex 7 hept 8 oct 9 non 10 dec Função orgânica Grupo funcional Sufixo Hidrocarboneto Só C e H o Álcool - OH ol Aldeído C O H al Cetona C O ona Ligação entre C Infixo Só simples an Uma dupla en Uma tripla in Duas duplas dien Duas triplas diin ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ H3C CH2 CH2 CH3 Química Orgânica 9 H3C CH2 OH ET + AN + OL (2 C) (Lig. simples) (álcool) H2C HC CH CH2 CICLO + BUT + EN + O (4 C) (Lig. Dupla) (Hidrocarboneto) Sempre que a cadeia carbônica permitir mais de uma possibilidade para a localização do grupo funcional e/ou das insaturações, será necessário numerar os carbonos da cadeia para indicar a posição exata de cada característica do composto, o que deve ser feito de acordo com as seguintes regras: Ao escrever o nome, o número deve ser posicionado imediatamente antes do sufixo, separado das outras sílabas por hífens. Ordem de importância: grupo funcional > insaturação Exemplo: CH3 H2 C H2 C C H CH3 OH 12 345 Pentan-2-ol A soma dos números dos carbonos que efetivamente indicam a localização do grupo funcional e/ou das insaturações deve ser a menor possível. H3C C H C C H C H C H CH3 1 2 3 4 5 6 7 hept-2,3,5-trieno soma: 2+3+5 = 10 Numeração não necessária: Quando só existe uma possibilidade de relação entre a fórmula estrutural e o nome, não é necessário numerar os carbonos da cadeia carbônica. HC C C CH H3C C H2 C CH3 O Butadiino butan-2-ona Em cadeia fechada com uma única insaturação, não é necessário indicar a localização da ligação dupla ou tripla, pois ela sempre estará entre os carbonos 1 e 2. Ciclopenteno Exercício: Forneça a fórmula estrutural dos compostos orgânicos a seguir a partir de seus nomes: a) hexano b) propan-1-ol c) ciclopentanol d) pentan-3-ona e) propanal f) ácido butanóico 9.2 Nomenclatura de compostos com cadeia ramificada Se uma cadeia carbônica for heterogenia, haverá uma cadeia principal e uma ou mais cadeias secundárias. Neste caso é preciso seguir os seguintes passos: Escolha da cadeia principal; Nomenclatura das ramificações; Localização das ramificações; A cadeia principal é aquela que apresenta as seguintes características, em ordem decrescente de importância: Possui o grupo funcional; Engloba o maior número de insaturações; Possui a sequência mais longa de átomos de carbono ligados entre si. E quando há mais de uma possibilidade de cadeia com o mesmo número de carbonos? Caso no composto orgânico haja duas ou mais possibilidades de escolha de cadeia principal com o mesmo número de átomos de carbono, devemos optar pela cadeia que tiver o maior número de ramificações. H3C H2 C H C C H CH3 CH3 CHH3C CH3 123 4 5 H3C H2 C H C C H CH3 CH3 CHH3C CH3 12 3 4 5 I II Localização do grupo funcional e das insaturações na cadeia carbônica Começar sempre pela extremidade da cadeia carbônica mais próxima ao grupo funcional Seguir a regra dos números Escolha da cadeia principal Química Orgânica 10 A primeira estrutura apresentaduas ramificações (nos carbonos 2 e 3). A segunda estrutura apresenta três ramificações (nos carbonos 2, 3 e 4). Logo, a cadeia principal escolhida é a II. O nome da cadeia principal é montado da mesma maneira que o nome dos compostos de cadeia normal. As ramificações geralmente são formadas apenas de carbono e hidrogênio e por isso são derivadas de hidrocarbonetos. Uma vez escolhida a cadeia principal, as cadeias restantes são consideradas ramificações. O nome das ramificações deve vir antes do nome da cadeia principal e vai depender de dois fatores: do tipo de ligação entre carbonos e do tipo de carbono (primário, secundário ou terciário). Tipo de ligação entre carbonos Se a ramificação for saturada (tiver só ligações simples entre carbonos), o nome será: Prefixo que indica o número de carbonos + il (ou ila). Tipo de carbono em que se encontra a valência que liga a ramificação à cadeia principal Estudaremos as ramificações monovalentes, ou seja, aquelas que estão ligadas à cadeia principal por apenas uma ligação simples. Ramificações que se encontram isoladas da cadeia principal, como estruturas que apresentam uma valência* livre, são denominadas radicais. Os radicais são espécies químicas altamente instáveis e reativas. Quando nos referimos a uma ramificação como parte de uma cadeia carbônica, isto é, como parte de uma estrutura estável, passaremos a chamá-la substituinte. A tabela abaixo mostra os tipos mais comuns de ramificações isoladas, portanto, de radicais. Principais substituintes orgânicos Nº de C Nome Estrutura 1 C metil H3C 2 C etil H3C H2 C (valência livre no carbono 1º) 3 C propil H3C H2 C H2 C (valência livre no carbono 1º) isopropil H3C C H CH3 (valência livre no carbono 2º) 4 C butil H3C H2 C H2 C H2 C (valência livre no carbono 1º) sec-butil ou s-butil H3C H2 C C H CH3 (valência livre no carbono 2º) terc-butil ou t-butil H3C C CH3 CH3 (valência livre no carbono 3º) isobutil H3C H C CH3 H2 C (valência livre no carbono 1º de uma cadeia ramificada) Insaturados etenil ou vinil CH2 CH Aromáticos fenil (valência livre localizada em um dos carbonos do anel aromático) benzil CH2 (valência livre localizada em um carbono ligado ao anel aromático) A localização das ramificações deve ser informada pela numeração dos carbonos da cadeia principal, que é feita segundo as regras vistas anteriormente. A cadeia carbônica deve ser numerada a partir da extremidade mais próxima da característica mais importante do composto, na ordem: *A valência de um elemento químico é o número de ligações que o átomo desse elemento faz para adquirir estabilidade. Valência livre, portanto, é a ligação “que está faltando”, ou seja, que o átomo precisa fazer para ficar estável. Nomenclatura das ramificações Localização das ramificações Química Orgânica 11 Grupo funcional > insaturação > ramificação Obedecendo a esse critério, a numeração da cadeia principal deve seguir a regra dos menores números possíveis. Exemplos: H3C H C H2 C C H CH3 CH3 OH ________________________________ H3C H2 C C H C H H2 C H2 C C H2 C CH3 CH3 CH2 CH3 ________________________________ Se a cadeia carbônica apresentar duas ou mais ramificações iguais, devem-se usar os prefixos di, tri, tetra, penta, etc. para indicar a quantidade de ramificações. O prefixo adequado é ligado diretamente ao nome do radical. Os números que indicam a localização das ramificações são escritos em ordem crescente, separados entre si por vírgulas e do nome por hífen. Exemplo: H3C H C H2 C C CH3 CH3 CH3 CH3 ________________________________ Se a cadeia carbônica apresentar duas ou mais ramificações diferentes, elas devem ser indicadas em ordem alfabética. Exemplo: H3C H2 C C C H H C H2 C H2 C CH3 CH3 CH3 CH2 CH3 CH CH3H3C __________________________________ Exercício: Forneça o nome dos compostos a seguir: H3C H2 C C H2 C H2 C CH3 CH2 ________________________________________ H3C C C H H2 C H C H2 C C O H C2H5CH3 ___________________________________ 9.3 Principais funções orgânicas Função Grupo funcional Hidrocarboneto Só C e H Contendo halogênio Composto halogenados -F –Cl –Br -I C o n te n d o o x ig ên io -O-H Contendo hidroxila Álcool C OH Enol C OH Fenol OH Éter C O C C O Contendo carbonila Aldeído C O H Cetona C O C C Ácido carboxílico C O OH Sal de ácido carboxílico C O O x (cátion)y Os prefixos di, tri, tetra, etc...não são considerados quando se estabelece a ordem alfabética. Química Orgânica 12 Éster C O O C Anidrido C O O C O Amida C O N C o n te n d o n it ro g ên io Nitrocompostos -NO2 Amina NH2 NH N Nitrila -CN Ácido sulfônico -SO3H Tiol -SH Organometálico Metal ligado a carbono 9.4 Hidrocarbonetos Os hidrocarbonetos, que tem como principal fonte o petróleo, são os compostos orgânicos mais importantes e mais utilizados. Os hidrocarbonetos são compostos que possuem apenas os elementos carbono e hidrogênio. Propriedades gerais Forças de interação molecular Compostos apolares - forças de dipolo induzido Pontos de fusão e de ebulição Por serem compostos apolares, apresentam pontos de fusão e ebulição baixos em relação aos compostos polares. Estados de agregação Em condições de temperatura e pressão ambientes: 1 a 4 C – gasosos. 5 a 17 C – líquidos. Acima de 17 C – sólidos. Densidade Apresentam densidade menor que a da água (1 g/cm 3 ). Solubilidade Dissolvem-se apenas em substâncias apolares ou de baixa polaridade. Logo, são insolúveis em água (polar). Aplicações práticas Utilizado como combustíveis e como matéria-prima para a produção de plásticos, fibras têxteis, borrachas sintéticas, tintas, entre outros. Os hidrocarbonetos são divididos em vários subgrupos que apresentam características particulares, conforme o tipo de cadeia (aberta ou fechada) e o tipo de ligação entre os carbonos, como veremos a seguir: São hidrocarbonetos alifáticos saturados. Os alcanos formam uma série de compostos de fórmula geral, CnH2n+2. São hidrocarbonetos insaturados com uma ligação dupla. A fórmula geral dos alcenos é CnH2n. Composto Nomenclatura CH2 CH2 ETENO CH2 CH CH3 PROPENO CH2 CH CH2 CH3 BUT-1-ENO CH3 CH CH CH3 BUT-2-ENO Composto Nomenclatura CH4 METANO CH3 CH3 ETANO CH3 CH2 CH3 PROPANO CH3 CH2 CH2 CH3 BUTANO ALCANOS Nomenclatura: PREFIXO + AN + O A parafina da vela é uma mistura de alcanos de massa molecular elevada. ALCENOS Nomenclatura: PREFIXO+ EN + O Química Orgânica 13 H2C C CH3 CH3 São hidrocarbonetos insaturados com uma ligação tripla. A fórmula geral dos alcinos é CnH2n-2. São hidrocarbonetos alifáticos insaturados por duas ligações duplas. A fórmula geral dos alcadienos é CnH2n-2. Observação: a numeração dos átomos de carbono da cadeia principal deve ser feita de forma que sejam obtidos os menores números para as duplas ligações. Alcadieno conjugado Quando as ligações duplas são separadas por uma ligação simples. CH2 CH CH CH2 But-1,3-dieno Alcadieno isolado Quando as ligações duplas estão bem afastadas. CH2 CH CH2 CH CH2 Pent-1,4-dieno Alcadieno acumulado As duplas estão no mesmo carbono. CH2 C CH2 Propadieno H2C C H C CH2 CH3 São hidrocarbonetos que apresentam cadeia saturada e fechada. Composto Nomenclatura H2 C H2C CH2 CICLOPROPANO H2C H2C CH2 CH2 CICLOBUTANO H2C H2C C H2 CH2 CH2 H2 C CICLOEXANO Os cicloalcanos ramificados eram conhecidos como hidrocarbonetos nafêmicos, pois são encontrados no petróleo de base naftêmica. Esse tipo de petróleo dá origem a subprodutos, como a gasolina com alto índice de octanagem, os óleos lubrificantes de baixo resíduo de carbono, os resíduos asfálticos e vários cicloalcanos. CH3 CH3 CH3 Composto Nomenclatura CH CH ETINO CH C CH3 PROPINO CH C CH2 CH3 BUT-1-INO CH3 C C CH3 BUT-2-INO Borrachas sintéticas: metilpropeno é a sua matéria prima ALCINOS Nomenclatura: PREFIXO + IN + O Etino (acetileno): utilizado em alguns tipos de soldas. ALCADIENOS Nomenclatura: PREFIXO + DIEN + O Isopreno: principal componente do látex CICLOALCANOS Nomenclatura: CICLO + PREFIXO + AN + O metilciclopentano Indica-se o nome do grupo ligado à cadeia principal seguido do nome do hidrocarboneto correspondente a essa cadeia. 1,3-dimetilciclo-hexano Se houver necessidade de localizar as ramificações, devem-se numerar os átomos de carbono da cadeia principal. Química Orgânica 14 São hidrocarbonetos que apresentam cadeia fechada com uma ligação dupla. Composto Nomenclatura H2C H2C CH CH CICLOBUTENO CHHC H2C C H2 CH2 CICLOPENTENO O limoneno é um cicloalceno ramificado nencontrado na casca de frutas cítricas (limão, laranja). 1 2 3 4 5 6 Os átomos de carbono da cadeia cíclica devem ser numerados para que se possam localizar os grupos que formam as ramificações e a insaturação. A numeração deve começar pela dupla, mas não é necessário indicá-la quando for apenas uma ligação dupla. O nome oficial do limoneno é, portanto, 1- metil-4-isopropenilciclo-hexeno. 9.4.1 Hidrocarbonetos aromáticos São hidrocarbonetos que apresentam pelo menos um anel benzênico em sua estrutura. Indicam-se os nomes dos grupos ligados ao anel aromático seguidos do nome da cadeia principal (benzeno). CH3 Quando existe mais de um grupo substituinte, as posições dos grupos devem ser numeradas com os menores números possíveis e seus nomes são escritos em ordem alfabética, como se pode notar nos dois primeiros exemplos abaixo. CH3 CH2CH3 CH3 CH2CH3 CH3 CH3 A nomeação de substâncias formadas por moléculas que apresentam dois grupos ligados ao anel aromático pode ser feita de outra maneira: 9.5 Álcool Álcoois são compostos que apresentam o grupo funcional hidroxila (-OH) ligado a carbono saturado. São representados pela fórmula geral: ROH ou R-OH. Os alcoóis são classificados quanto: 1) Ao número de grupos hidroxila Classificação Exemplo Monoálcool (uma hidroxila) CH3 CH2 CH2 OH CICLOALCENOS Nomenclatura: CICLO + PREFIXO + EN + O metil isopropenil O metil benzeno é mais conhecido por seu nome usual: tolueno. 1-etil-2-metilbenzeno (orto-etilmetilbenzeno) 1-etil-3-metilbenzeno (meta-etilmetilbenzeno) 1,4-dimetilbenzeno (para-dimetilbenzeno) Posição 1-2: orto (o) Posição 1-3: meta (m) Posição 1-4: para (p) naftaleno Química Orgânica 15 Diálcool (duas hidroxilas) CH3 H C CH2 OHOH Triálcool (três hidroxilas) H2C H C CH2 OHOHOH 2) Dos monoálcoois, quanto a posição da hidroxila Classificação Exemplo Álcool primário (hidroxila ligada a carbono primário) CH3 CH2 OH Álcool secundário (hidroxila ligada a carbono secundário) CH3 H C CH3 OH Álcool terciário (hidroxila ligada a carbono terciário) CH3 C CH3 OH CH3 Forças de interação molecular Em razão da presença do grupo – OH, as moléculas de álcool estabelecem ligações de hidrogênio entre si. Pontos de fusão e ebulição As substâncias que fazem ligações de hidrogênio possuem pontos de fusão e ebulição elevados. Os poliálcoois têm pontos de fusão e ebulição mais elevados do que os monoálcoois com o mesmo número de carbonos na cadeia. Estados de agregação Monoálcoois com até 12 C - líquidos; demais são sólidos. Densidade Monoálcoois: densidade menor que a água. Poliálcoois: densidade maior que a água. Solubilidade Os alcoóis possuem na molécula uma parte polar referente ao grupo –OH e uma parte apolar referente à cadeia carbônica. Cadeia carbônica curta: prevalecem as propriedades dos compostos polares; Cadeia carbônica longa: prevalecem as propriedades de compostos apolares. Álcoois com poucos átomos de carbono são bastante solúveis em água, pois suas moléculas fazem ligações de hidrogênio com as moléculas de água. Conforme a cadeia carbônica se torna maior, a parte apolar começa a prevalecer e a solubilidade em água diminui. Reatividade Os álcoois são mais reativos que os hidrocarbonetos porque são polares. Aplicações práticas Os monoálcoois mais importantes são o metanol e o etanol. Entre os poliálcoois, os de uso mais comum são: 1,2-etanodiol (etilenoglicol) e propanotriol (glicerina). 9.6 Enol São compostos que apresentam o grupo hidroxila (–OH) ligado a carbono insaturado por uma dupla ligação. Nomenclaturas Oficial: NÚMERO DE CARBONOS + TIPO DE LIGAÇÃO (an/en/in) + OL Usual: ÁLCOOL + NOME DO GRUPO SUBSTITUINTE + ICO CH3 OH Oficial:____________________ Usual: ____________________ CH3 CH2 OH Oficial:____________________ Usual: ____________________ H2C H C CH2 OHOHOH Oficial:____________________ Usual: ____________________ Propriedades dos álcoois São compostos instáveis que convertem-se a aldeídos ou cetonas Química Orgânica 16 H2C CH OH H2C C OH CH3 Etenol prop-1-en-2-ol 9.7 Fenol A palavra fenol deriva de feno, que significa “benzeno” em alemão, e ol é indicação do grupo hidroxila, -OH. O fenol mais simples é aquele em que um hidrogênio do benzenofoi substituído por um grupo –OH. Grupo funcional: 9.8 Éter Um desinfetante barato, muito usado em agropecuária é a creolina, que é uma solução aquosa, alcalina, da mistura dos cresóis. OH CH3 OH CH3 OH CH3 Na natureza, há muitos compostos que apresentam o grupo –OH, característico dos fenóis: OH OCH3 OH CH2 CH CH2 OCH3 CHO Forças de interação molecular Todos os monofenóis possuem moléculas polares com o vetor resultante no sentido do átomo de oxigênio (mais eletronegativo). Pontos de fusão e ebulição Por causa das ligações de hidrogênio, os pontos de fusão e ebulição são mais elevados que os dos hidrocarbonetos de massa molecular próxima. Estados de agregação Os monofenóis mais simples são líquidos ou então sólidos de baixo ponto de fusão. Os Nomenclatura PREFIXO + INFIXO + OL Fenol é todo o composto orgânico que possui um grupo –OH ligado a um carbono que pertence a um anel aromático. OH Nomenclatura LOCALIZAÇÃO DO GRUPO –OH + HIDRÓXI + NOME DO AROMÁTICO OH OH 1 2 3 4 5 6 Catecol _____________________ HO OH1 2 3 4 5 6 Resorcinol _____________________ OH HO 1 2 3 4 5 6 Hidroquinona ____________________ O resorcinol e a hidroquinona são muito utilizados por médicos dermatologistas para tratar marcas da pele decorrentes de problemas de acne, manchas de sol ou envelhecimento precoce. o-cresol 1-hidróxi- 2-metilbenzeno m-cresol 1-hidróxi- 3-metilbenzeno p-cresol 1-hidróxi- 4-metilbenzeno Eugenol (essência de cravo-da- índia usada como antisséptico bucal) Vanilina (essência de baunilha, usada na fabricação de doces, sorvetes, etc.) Propriedades dos fenóis Química Orgânica 17 demais fenóis são sólidos. Densidade São mais densos que a água. Fenol (1,071 g/mL a 25°C). Solubilidade O fenol é relativamente solúvel em água. Os demais monofenóis são praticamente insolúveis. Aplicações práticas O fenol é utilizado na produção de desinfetantes e de medicamentos. 9.8 Éter Éter é todo o composto que possui o oxigênio entre dois carbonos, como heteroátomo. Exemplos: Observação: compostos cíclicos que apresentam a estrutura a seguir são denominados epóxidos. O H2C CH2 O H2C C H CH3 Epóxietano 1,2-epóxipropano Forças de interação molecular As moléculas dos éteres são levemente polares por causa de sua geometria angular.Os éteres podem estabelecer ligações de hidrogênio com outros compostos, como a água e o etanol. Pontos de fusão e ebulição Os PF e PE dos éteres se aproximam dos alcanos e são bem mais baixo que os dos alcoóis e fenóis (já que estabelecem ligações de hidrogênio entre si). Estados de agregação Os éteres mais simples, como o metoximetano e o metoxietano são gases. Os demais são líquidos voláteis. Densidade Compostos menos densos que a água. Solubilidade Os éteres de menor massa molar apresentam uma baixa solubilidade em água, devido ao estabelecimento das ligações de hidrogênio. Reatividade São compostos pouco reativos. Aplicações práticas São muito utilizados na extração de essências, óleos e gorduras de fontes naturais 9.9 Cetona São compostos que apresentam o grupo funcional carbonila ( C O ) entre carbonos. Nomenclatura oficial nome da cadeia mais simples + nome da cadeia mais complexa prefixo + oxi prefixo + infixo + o Nomenclatura usual éter + substituinte mais simples + substituinte mais complexo Éter + prefixo + ico + prefixo + ico CH3 O CH2 CH3 Oficial:____________________ Usual: ____________________ CH3 CH2 O CH2 CH3 Oficial:____________________ Usual: ____________________ CH3 O Oficial:____________________ Usual: ____________________ As resinas epóxi são classificadas como plásticos termofixos, os quais endurecem quando misturados a catalisadores. O etóxietano, também conhecido como éter comum, no século XIX era muito utilizado como analgésico. Propriedades dos éteres Química Orgânica 18 Exemplos: Forças de interação molecular Não fazem ligações de hidrogênio entre sim, no entanto, são mais polares que os aldeídos. Pontos de fusão e ebulição Mais baixo do que os alcoóis e mais elevados do que os aldeídos de massa molecular próxima. Estados de agregação As cetonas mais simples são líquidas em condições ambientes. Com o aumento da massa molar, tornam-se sólidas. Densidade Menos densas que a água. Solubilidade As cetonas são mais solúveis em água do que os aldeídos. Também são solúveis em éter e benzeno. Reatividade São compostos bastante reativos. Aplicações práticas A propanona, mais conhecida como acetona, é um líquido inflamável, usado como solvente de esmaltes, tintas, vernizes e na extração de óleos de sementes vegetais. 9.10 Ácido carboxílico Ácido carboxílico é todo o composto orgânico que possui o grupo carbonila ligado a um grupo hidroxila, - OH. Essa união forma o grupo carboxila. R COOH ou R C O OH Exemplos: Nomenclatura Oficial: prefixo + infixo + ona OBS: Quando a cadeia carbônica possuir mais de 4C deve-se numerar o carbono que a carbonila se encontra. Usual: nome dos substituintes ligados a carbonila por ordem de complexidade + cetona CH3 C O CH3 Oficial:____________________ Usual: ____________________ CH3 C O CH2 CH3 Oficial:____________________ Usual: ____________________ CH3 C O H C CH2 CH3 CH3 Oficial:____________________ Usual: ____________________ A acetona é comumente utilizado na remoção de esmaltes de unhas. Propriedades das cetonas Nomenclatura Oficial: ácido + prefixo + infixo + óico Usual: não segue uma regularidade H C O OH Oficial:____________________ Usual: ____________________ H3C C O OH Oficial:____________________ Usual: ____________________ Química Orgânica 19 Forças de interação molecular Por apresentarem o grupo carboxila, esses compostos são muito polares e podem fazer o dobro de ligações de hidrogênio do que as moléculas de álcoois. Pontos de fusão e ebuliçãoPF e PE mais altos do que os alcoóis de massa molar próximos. Estados de agregação Até 9 C – líquidos. 10 ou mais C – sólidos semelhantes à cera. Por causa do aspecto ceroso, os ácidos carboxílicos de cadeia longa são chamados de ácidos graxos. Densidade Os ácidos mais simples, como o metanóico e etanóico, são mais densos que a água. Solubilidade 1 a 4 C – solúveis em água. 5 C – parcialmente solúvel em água. Demais – insolúveis em água. São também solúveis em éter dietílico, álcool etílico e benzeno. Reatividade São compostos bastante reativos. Aplicações práticas O ácido etanóico é obtido pela oxidação do etanol na presença de uma bactéria específica. 9.11 Aldeído Aldeído é todo composto orgânico que possui o grupo carbonila ligado a um hidrogênio. Essa união forma o grupo aldoxila. R COH ou R C O H Exemplos: Também temos uma outra forma de nomenclatura para os aldeídos, no entanto, ela é restrita a alguns compostos e está associada ao nome do ácido carboxílico de estrutura similar. Nº de carbonos Nome do ácido carboxílico Nome do aldeído 1 Ácido fórmico formaldeído 2 Ácido acético Acetaldeído 3 Ácido propiônico Propionaldeído 4 Ácido butírico Butiraldeído Aromático Ácido benzóico Benzaldeído Forças de interação molecular Devido a presença do grupo carbonila, suas moléculas são polares e H2C C O OH H2CH3C Oficial:____________________ Usual: ____________________ C O OH Oficial:____________________ Propriedades dos ácidos carboxílicos Nomenclatura prefixo + infixo + al C O H H Oficial:_________________ ___ CH3 C O H Oficial:_________________ ___ C O H Oficial:_________________ ___ empregado na indústria farmacêutica como mascarador de sabor Utilizado como redutor de sais de prata na fabricação de espelhos Propriedades dos aldeídos Química Orgânica 20 unidas por forças de dipolo permanente. Pontos de fusão e ebulição Mais altos que os dos compostos apolares e éteres; mais baixos que alcoóis e ácidos carboxílicos. Estados de agregação 1 e 2C – gases; Demais – líquidos. Densidade Menos densos que a água. Solubilidade Aldeídos simples são solúveis em meio aquoso, pois podem estabelecer ligações de hidrogênio com moléculas de água. No entanto, com o aumento da cadeia carbônica a sua solubilidade diminui progressivamente. Reatividade Bastante reativos. Aplicações práticas Essências de amêndoas amargas, vanilina ou baunilha. 9.12 Éster São obtidos a partir da reação (de esterificação) feita entre ácidos carboxílicos e álcoois. Grupo funcional: R COO R ou R C O O R Exemplos: Como os ésteres são derivados de ácido carboxílico, é costume utilizar o nome usual do ácido para se referir ao éster. O metanoato de metila é derivado do ácido metanóico, cujo nome usual é ácido fórmico, portanto, o nome usual desse éster é formiato de metila. O etanoato de isopropila é derivado do ácido etanóico, cujo nome usual é ácido acético, portanto, o nome usual desse éster é acetato de isopropila. Forças de interação molecular Ésteres com cadeia carbônica pequena apresentam certa polaridade (predominam forças de dipolo permanente), que vai diminuindo à medida que a cadeia carbônica aumenta. Pontos de fusão e ebulição PF e PE mais baixos do que álcoois e ácidos carboxílicos de massa molecular próxima. Estados de agregação Ésteres de massa molar baixa são líquidos; conforme aumenta passa de líquido viscoso até sólido. Densidade Os ésteres mais complexos apresentam densidade maior que a da água. Solubilidade Ésteres simples são parcialmente solúveis em água. Reatividade Pouco reativos. Aplicações práticas São usados como essência de frutas e aromatizantes na indústria alimentícia, farmacêutica, cosmética e de perfumes. Os ácidos carboxílicos reagem com álcoois produzindo ésteres e água. Essa reação é denominada esterificação. A reação inversa da esterificação, ou seja, aquela que ocorre quando um éster reage com água formando ácido carboxílico e álcool, é denominada hidrólise de éster. Nomenclatura prefixo + infixo + oato + de + nome do substituinte com terminação ila C O O Oficial:_________________ C O O Oficial:_________________ Propriedades dos ésteres REAÇÃO DE ESTERIFICAÇÃO Química Orgânica 21 ácido propanóico + etanol propanoato de etila 9.13 Amina Amina é todo composto orgânico derivado da amônia, NH3, pela troca de um, dois ou três hidrogênios por substituintes orgânicos. C NH2 H N CC N C CC Exemplos: H3C H2 C H2 C H2 C NH2 H3C H C CH3 NH2 H3C H C H2 C H C CH3 CH3 NH2 No caso de aminas secundárias e terciárias, a cadeia mais longa é considerada a principal e o nome segue as mesmas regras acima. As demais cadeias são consideradas substituintes e o nome segue o esquema: A letra N indica que o substituinte está ligado ao nitrogênio. Os substituintes localizados na cadeia carbônica são indicados por números. H3C H2 C H2 C H N CH3 H3C H2 C H2 C N H2 C CH3 CH3 N-metiletanamida N-etil-N-metilpropanamina A fenilamina é também conhecida como anilina. Uma de suas principais aplicações industriais é na fabricação de corantes, utilizados em cosméticos e tecidos. NH2 Como o átomo de nitrogênio nas moléculas das aminas pode oferecer um par de elétrons, segundo o conceito de base de Brönsted e Lowry, as aminas têm caráter básico. O caráter básico das aminas é acentuadamente mais forte que o dos alcoóis, éteres e ésteres, porque o nitrogênio é menos eletronegativo que o oxigênio e, portanto, capaz de compartilhar o par de elétrons disponível com maior facilidade. Forças de interação molecular São compostos polares; as aminas primárias e secundárias fazem ligações de hidrogênio, o que não ocorre com as aminas terciárias. Pontos de fusão e ebulição São mais elevados que os dos compostos apolares e mais baixos que os dos alcoóis e os dos ácidos carboxílicos. Estados de agregação Aminas com substituintes pequenos são gases em condições ambientes. Densidade As aminas mais simples são menos densas que a água. As aminas aromáticas são mais densas. Solubilidade Até 5 C – solúveis em meio aquoso e alcoólico. 6 ou mais C – insolúveis em água (solúveis em álcool etílico, éter e benzeno). Reatividade Quanto maior o caráter básico das aminas, maior a reatividade dos compostos. Aplicações práticas São utilizadas na fabricação de certos tipos de sabões e na vulcanização da borracha. CH3 CH2 C O OH + OH CH2 CH3 esterificação hidrólise CH3CH2 C O O CH2 CH3 amina primária 1 H substituído amina secundária 2 H substituídos amina terciária 3 H substituídos Nomenclatura para as aminas primárias Prefixo + infixo + (localização do grupo –NH2) amina butan-1-amina propan-2-amina 4-metil-pentan- 2-amina Prefixo + il , precedido da letra N Caráter básico das aminas Propriedades das aminas Química Orgânica 22 9.14 Amida Amida é todo composto que possui o nitrogênio ligado diretamente a um grupo carbonila. Grupo funcional: C O N H H C O N R H C O N R R Exemplo: H3C C O NH2 Exemplos: H2 C C O N H CH3C CH3 CH3 H N-metil-3-metilbutanamida C O NH2H2N Forças de interação molecular As amidas são bastante polares; cada duas moléculas podem fazer duas ligações de hidrogênio entre si (no caso das amidas primárias). Pontos de fusão e ebulição PF e PE elevados, maiores do que os ácidos carboxílicos de massas moleculares correspondentes. Estados de agregação Sólidos cristalinos. Densidade Mais densas que a água. Solubilidade As aminas mais simples são solúveis em água e pouco solúveis em solventes apolares. Reatividade São compostos bastante reativos. Apresenta um caráter básico fraco devido ao oxigênio atrair elétrons pra si. Aplicações práticas Síntese de compostos orgânicos, intermediários na preparação de medicamentos. 9.15 Demais funções orgânicas Função orgânica Característica Exemplo e nome Compostos halogenados ou haletos orgânicos Possuir ao menos um átomo de halogênio CH3 Cl Cloro-metano H2C Br H C Br CH3 Cloro-metano DDT – inseticida organoclorado Sais de ácidos carboxílicos ou sais orgânicos ácido + base sal + água* CH3 C O O-Na+ Etanoato de sódio C O O-Na+ Benzoato de sódio – conservante INS211 amida não substituída 2 hidrogênios ligados ao nitrogênio amida monossubstituída 1 hidrogênio e um substituinte R amida dissubstituída 2 substituinte R iguais ou diferentes Nomenclatura de amidas não substituídas: prefixo + infixo + amida etanamida Nomenclatura de amidas substituídas: A cadeia mais longa é considerada a principal e as demais são consideradas substituintes, e o nome segue o esquema: Prefixo + il, precedido da letra N, que vai indicar que o substituinte está ligado ao nitrogênio. Os substituintes da cadeia são indicados por números. A ureia é uma diamida. Seu uso é diversificado, sendo utilizado como umectante e hidratante em cremes e pomadas, na produção de fertilizantes agrícolas e remédios. Propriedades das amidas Química Orgânica 23 * CH3 C O OH + NaOH CH3 C O O-Na+ + H2O Anidridos ácidos Produto da desidratação de ácidos carboxílicos CH3 C O OH CH3 C O OH CH3 C O O CH3 C O + H2O Ácido acético anidrido acético Nitro compostos -NO2 CH3 NO2 Nitrometano NO2 Nitrobenzeno Nitrilas C N C NH3C Etanonitrila C N benzonitrila Ácidos sulfônicos -SO3H CH3 CH2 SO3H Ácido etanossulfônico Os sais de ácidos sulfônicos atuam como detergentes. Tiol -SH SH Butano-1-tiol Adicionado ao gás dos botijões de cozinha para indicar vazamentos. Compostos organometáli cos R – MgX X= halogênio CH3 MgCl Cloreto de metil magnésio Exercício: 1) Identifique quais funções orgânicas pertencem os seguintes compostos: 1 O 2 OH 3 H O 4 O 5 OH O 2) Assinale a alternativa que apresenta as funções químicas presentes neste composto: 10. Propriedades físicas e químicas dos compostos orgânicos 10.1 Polaridade e solubilidade Substância polar se dissolve em substância polar. Ex: água e etanol. Substância apolar se dissolve em substância apolar. Ex: gasolina e ciclohexano. 10.2 Tamanho da cadeia carbônica e solubilidade A solubilidade diminui com o aumento da cadeia carbônica, pois há o aumento da parte apolar da molécula, constituída por carbono e hidrogênio. Solubilidade de alguns álcoois em água, a 25°C. Álcool Solubilidade (g/100g de H2O) CH3OH ilimitada CH3CH2CH2CH2OH 8,0 CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH 0,6 Quanto maior a parte apolar da molécula, menor é a tendência de uma substância se dissolver em água. As partes apolares de uma molécula são denominadas grupos hidrófobos. As partes polares de uma molécula são denominadas grupos hidrófilos. CH3 CH2 CH2 CH2 C O OH 10.3 Ligações intermoleculares O que mantém as moléculas unidas nos estados sólido e líquido são as chamadas ligações ou forças ou interações intermoleculares. São fundamentalmente de três tipos: interações dipolo permanente-dipolo permanente; ligações de hidrogênio e dipolo instantâneo-dipolo induzido. SEMELHANTE DISSOLVE SEMELHANTE Quais são os grupos polares? -OH; -NH2; -COOH. Estes grupos apresentam afinidade pela água. Extremidade polar Extremidade apolar C N O H O CH3 OH a) cetona e álcool b) cetona e benzeno c) fenol e éter d) amida e cetona e) álcool e éter Química Orgânica 24 Considere uma molécula de HCl. Devido à diferença de eletronegatividade entre os elementos, essa molécula é polar. Sua extremidade negativa atrai a extremidade positiva de outra molécula vizinha, o mesmo ocorrendo com sua parte positiva, que interage atrativamente com a parte negativa de outra molécula vizinha. Essa força de atração entre os dipolos das moléculas é chamada de interação dipolo-dipolo. Quando, em uma molécula, tivermos o hidrogênio ligado a um átomo pequeno e muito eletronegativo (F, O, N), haverá uma grande polarização dessa ligação, o que produzirá no hidrogênio um intenso polo positivo. Essa polarização leva o hidrogênio a interagir com o par de elétrons de outra molécula vizinha, resultando em uma interação intensa entre as moléculas. Esse tipo de interação é observada na molécula de água, apresentada abaixo: Considere uma molécula apolar. Ela possui uma nuvem de elétrons em contínuo movimento. Se, durante uma pequena fração de segundo, essa nuvem eletrônica estiver um pouco mais deslocada para um dos extremos de molécula, poderemos dizer que foi criado um dipolo instantâneo, ou seja, por um instante apareceram dois pólos na molécula. A extremidade positiva desse dipolo atrai os elétrons da molécula vizinha, na qual, por sua vez, também aparece um dipolo, chamado de dipolo induzido, isto é, provocado pela primeira molécula. Esses dois dipolos, o instantâneo e o induzido, se atraem como no caso dos dipolos permanentes. A diferença é que essa situação dura apenas uma fração de segundo. Essas interações são conhecidas como forças de dispersão de London ou forças de van der Waals, que é a única que ocorre entre moléculas das substâncias apolares.Resumindo... 10.4 Forças intermoleculares e ponto de ebulição Por que as substâncias moleculares têm diferentes pontos de ebulição? Isso depende basicamente de dois fatores: o tamanho da molécula e o tipo de força intermolecular existente na substância. Quanto maior for o tamanho da molécula, maior será a superfície para atuação dessas interações e, portanto, mais difícil será fazer a molécula se separar das outras, desprendendo-se da fase líquida e passando para a fase vapor. Assim, quanto maior o tamanho da molécula, maior será a temperatura necessária para a ebulição, ou seja, maior o ponto de ebulição. Quando mais fortes forem as interações entre as moléculas, mais unidas elas estarão e, portanto, mais difícil será para que a substância sofra ebulição. Como exemplos de substâncias orgânicas que apresentam esse tipo de forças intermoleculares podemos citar os hidrocarbonetos, óleos e gorduras. Como exemplos de substâncias orgânicas que fazem ligações de hidrogênio podemos citar os álcoois, ácidos carboxílicos, aminas primárias e secundárias. Como exemplos de substâncias orgânicas que apresentam esse tipo de forças intermoleculares podemos citar o metanal, acetona e o éter dimetílico. INTERAÇÕES DIPOLO PERMANENTE- DIPOLO PERMANENTE LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO INTERAÇÕES DIPOLO INSTANTÂNEO – DIPOLO INDUZIDO dipolo instantâneo- -dipolo induzido dipolo permanente- -dipolo permanente Ligações de hidrogênio Aumenta a intensidade das forças intermolecular EFEITO DO TAMANHO DA MOLÉCULA EFEITO DO TIPO DE FORÇA INTERMOLECULAR Química Orgânica 25 Ao comparamos duas substâncias com o mesmo tipo de interação intermolecular, a que tiver maior tamanho (estimado pela massa molecular) possuirá maior ponto de ebulição. Exemplo: Substância Metanol (32u) Etanol (46 u) Ponto de ebulição 65°C 78°C Ao compararmos duas substâncias com massas moleculares e tamanhos aproximadamente iguais, a que possuir forças intermoleculares mais intensas possuirá maior ponto de ebulição. Exemplo: Substância Propano (44u) Éter dimetílico (46 u) Etanol (46 u) Forças intermolecu -lares Van der Waals Dipolo permanente- dipolo permanente Ligações de hidrogênio Ponto de ebulição -42°C -25°C 78°C Ao compararmos substâncias orgânicas com mesma massa molecular e com o mesmo tipo de interação intermolecular, o tamanho da cadeia principal é um bom indicador do tamanho da molécula. É de se esperar que a que possuir cadeia principal mais extensa possuirá maior ponto de ebulição. Exemplo: Estrutur a CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 C CH3 H3C CH3 CH3 Ponto de ebulição 36°C 9°C Menor extensão para atuação das forças intermoleculares Exercício: (Fuvest-SP) Em um laboratório, três frascos com líquidos incolores estão sem os devidos rótulos. Ao lado deles, estão os três rótulos com as seguintes identificações: ácido etanóico, pentano e butan-1-ol. Para poder rotular corretamente os frascos, determinam-se, para esses líquidos, o ponto de ebulição (P.E) sob 1 atm e a solubilidade em água (S) a 25°C. Líquido P.E. /°C S/(g/100 mL) X 36 0,035 Y 117 7,3 Z 118 infinita Com base nessas propriedades, conclui-se que os líquidos X, Y e Z são, respectivamente: a) pentano, butan-1-ol e ácido etanóico. b) pentano, ácido etanóico e butan-1-ol. c) ácido etanóico, pentano e butan-1-ol. d) butan-1-ol, ácido etanóico e pentano. e) butan-1-ol, pentano e ácido etanóico. 11. Isomeria Como as abelhas se reconhecem e se comunicam de modo a estabelecer tamanha organização? Por meio da liberação de feromônios – substâncias que permitem uma comunicação química entre os animais. A abelha rainha libera um feromônio que é um ácido carboxílico hidroxilado de fórmula molecular C10H18O3. Curiosamente, as glândulas mandibulares das abelhas operárias também produzem um ácido de mesma fórmula. Mas, se a fórmula molecular é a mesma, como é possível que as abelhas façam distinção entre elas? geraniol linalol O fato de as fórmulas moleculares serem as mesmas não significa que as fórmulas estruturais também sejam iguais. Dizemos que as substâncias geraniol e linalol são isômeras. Atualmente, a isomeria está dividida em duas grandes classes: isomeria constitucional ou plana e isomeria espacial (isomeria geométrica e isomeria óptica). 11.1 Isomeria constitucional ou plana Na isomeria constitucional, as diferenças entre as moléculas dos isômeros se devem às diferenças nas ligações químicas entre seus átomos e podem se apresentar de diversas formas na cadeia carbônica, como será estudado a seguir. Isômeros são substâncias que apresentam a mesma fórmula molecular, ou seja, suas moléculas possuem os mesmos tipos e quantidades de átomos, porém arranjados diferentemente. Os isômeros também apresentam propriedades físicas e químicas diferentes entre si. Química Orgânica 26 Mesma fórmula molecular; Diferentes funções orgânicas; Álcoois/éteres; Ácidos carboxílicos/ésteres; Aldeídos/cetonas. Fórmula molecular:___________ Nome Ácido butanóico Etanoato de etila Fórmula estrutural CH3 CH2 CH2 C O OH CH3 C O O CH2 CH3 Fórmula química C4H8O2 C4H8O2 TF (°C, 1atm) -5 -83,6 TE (°C, 1atm) 163 77 Aplicaçõe s Síntese de fármacos e de aroma artificial de manteiga. Síntese de aromas artificiais de frutas. Existem isômeros que poderiam ser classificados como funcionais por pertencerem a funções químicas diferentes. No entanto, apresentam um comportamento característico: no estado líquido ou em solução, esses compostos coexistem em equilíbrio, ou seja, sempre que um deles estiver presente, o outro também estará. Tautomeria Aldo-enólica: é a tautomeria que ocorre entre um aldeído e um enol. Tautomeria Ceto-enólica: é a tautomeria que ocorre entre uma cetona e um enol. . C H H H C O C H H H C C H H OH CH3 F.M. = C3H6O Mesmo que fosse possível isolar um dos compostos, o equilíbrio se restabeleceria para restituir o composto retirado, de acordo com o princípio de Le Chatelier. Um dos medicamentos utilizados para o tratamento de certas anomalias intestinais usa como princípio ativo o floroglucinol, composto que produz, em equilíbrio químico, um isômero por tautomerização. As moléculas pertencem à mesma função orgânica, mas diferem quanto à classificação de sua cadeia carbônica. Cadeia aberta / fechada Normal / ramificada Homogênea / heterogênea H2 C CH2H2C CH2 CH CH3 F.M CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 H C CH3 CH3 F.M CH3 CH2 NH2 CH3 NH CH3 F.M Quando moléculas de substâncias da mesma função orgânica se diferenciam pela posição de algum grupo molecular (grupo funcional ou ramificação) ou insaturação, constituem-se os isômeros de posição. CH3 CH2 CH2 OH CH3 CH CH3 OH F.M CH3 CH CH2 CH2 CH3 CH3 CH3 CH2 H C CH3 CH2CH3 F.M CH2 CH CH2 CH3 CH3 CH CH CH3 F.M ISÔMEROS DE FUNÇÃO CH2 OH O CH3 CH3 OH TAUTOMERIA C H H H C O H C C H H H OH F.M. = C2H4O ISOMERIA DE CADEIA ISOMERIA DE POSIÇÃO Química Orgânica 27 Um tipo particular de isomeria de posição se refere a isômeros que apresentam cadeias heterogêneas. Observe os ésteres a seguir, responsáveis pelas essências de morango e framboesa, utilizadas, por exemplo, pelas indústrias de balas e chicletes. C O O O O butanoato de etila etanoato de butila Exercício: São isômeros funcionais: (Monte as estruturas) 01. butano e metil propano 02. etanol e éter dimetílico 04. 1 cloro propano e 2 cloro propano 08. 1,2 dimetil benzeno e 1,4 dimetil benzeno 16. propanona e propanal 32. etanal e propanona 11.2 Isomeria geométrica ou cis-trans No amplo universo das substâncias químicas, incluindo aquelas encontradas na natureza, existem moléculas que se diferenciam simplesmente pela disposição espacial de seus átomos, por isso, são chamados isômeros espaciais. Essa diferença pode ser mínima, como acontece entre o nerol e o geraniol. C OH CH3 H3C CH3 C CH3 H3C CH3 OH nerol geraniol Note que as duas substâncias apresentam as mesmas fórmulas moleculares (C10H18O). No entanto, há uma pequena diferença na disposição espacial dos átomos ao redor da ligação dupla localizada entre os carbonos 2 e 3. Qual é a característica que faz um isômero ser cis ou trans? Observe as estruturas a seguir: As estruturas são apenas duas representações diferentes para uma mesma estrutura química. Isso acontece porque o eixo formado pela ligação simples que une os dois átomos de carbono tem rotação livre. No entanto, quando dois átomos de carbono estão conectados por meio de uma ligação dupla, a mesma impede a rotação de um dos lados da molécula sem que o outro gire junto. Portanto, abaixo temos representadas duas estruturas distintas: C C Br HBr H C C H BrBr H cis-1,2-dibromoeteno trans-1,2-dibromoeteno Neste caso, temos um par de isômeros chamados cis-trans. A molécula que apresenta os ligantes do carbono do mesmo lado de uma linha imaginária que a corta ao meio, acompanhando o eixo da ligação, representa o isômero cis, a outra representa o trans. Condições para que ocorra a isomeria cis-trans: C C R2 R1 R3 R4 O sistema de nomenclatura cis-trans serve para moléculas de alcenos com dois ligantes diferentes. Quando temos mais de três ligantes utiliza-se o sistema de nomenclatura E-Z. Observe a molécula a seguir: C C CH3 HF Cl (Z= 17) (Z= 9) (Z= 6) (Z= 1) Lados opostos Mesmo lado C C R R prioridade maior prioridade maior C C RR prioridade maior prioridade maior Isômero E (espalhado) Isômero Z (junto) METAMERIA Somatório: Aroma doce de rosas, sendo encontrado na mexerica e em muitos óleos essenciais. O geraniol, assim como o nerol, está presente no vinho branco, dando-lhe o característico sabor frutado. No entanto, o nerol é levemente mais amargo que o geraniol. C C Br Br HH HH C C Br H BrH HH R1≠R2 e R3≠R4 Quanto maior o número atômico do átomo diretamente ligado a cada um dos átomos de carbono da dupla, maior sua prioridade. Química Orgânica 28 A isomeria cis-trans também ocorre em compostos cíclicos, devido à impossibilidade de rotação em torno do eixo dos átomos de carbono do ciclo. Exercício: Os afídeos (insetos popularmente chamados de pulgões) liberam um feromônio de alarme, cuja estrutura é a seguinte: Nessa estrutura há ligações duplas, marcadas com as letras A, B, C e D. a) Decida em qual(is) delas pode haver isomeria cis- trans. b) Para aquela(s) que você respondeu no item anterior, diga se o arranjo é cis ou trans. 11.3 Isomeria óptica A isomeria óptica é a situação em que pares de isômeros constituem estruturas que são imagens espelhadas umas das outras. Observe a molécula de ibuprofeno (C13H18O2), um analgésico de uso bastante comum, e também a molécula que corresponde a sua imagem no espelho. Apenas a substância representada à esquerda é ativa, isto é, tem ação analgésica. A da direita, quase idêntica, não apresenta essa característica. A mão direita de uma pessoa é igual à mão esquerda? A mão esquerda é na verdade a imagem da mão direita no espelho. Enantiômeros: são isômeros ópticos que são imagens especulares um do outro. Estes compostos não são sobreponíveis. Carbono assimétrico é todo átomo de carbono saturado que apresenta os quatro ligantes diferentes entre si. C R1 R4 R3 R2 Usualmente o carbono assimétrico é identificado por um asterisco: C*. No ano de 1848 o cientista Louis Pasteur notou que, nos barris em que o suco de uva fermentava para a produção de vinho, alguns cristais de ácido tartárico ficavam depositados. ASSIMÉTRIA MOLECULAR As mãos não são sobreponíveis, sendo assim, dizemos que uma é a imagem especular da outra. Quando as moléculas não forem sobreponíveis dizemos que elas são assimétricas ou quirais. CARBONO ASSIMÉTRICO OU CARBONO QUIRAL R1≠R2≠R3≠R4 MOLÉCULAS DEXTRÓGIRAS E LEVÓGIRAS Química Orgânica 29 Após alguns processos químicos, Pasteur observou a formação de dois tipos de cristais, sendo um a imagem especular do outro. O cientista separou os dois tipos de cristais e preparou soluções aquosas. Logo após, testou a passagem de luz polarizada através delas. Luz natural: é formada por ondas eletromagnéticas vibrando em diversos planos. Luz polarizada: é formada por ondas eletromagnéticas vibrando em um único plano. Pasteur observou que, ao fazer a luz polarizada atravessar a solução de um enantiômero do ácido tartárico, o plano girava ou para a esquerda ou para a direita. As substâncias capazes de gerar essa rotação são consideradas opticamente ativas. O valor da rotação da luz polarizada pode ser medido com o auxílio de um polarímetro. Substância dextrógira: é o desvio da luz polarizada para a direita. É representada por d ou (+). Substância levógira: é o desvio da luz polarizada para a esquerda. É representada por l ou (-). OBS: quando se mistura um igual número de moléculas de dois enantiômeros, o desvio de cada molécula é anulado pelo desvio igual e oposto causado pela molécula do outro. A mistura resultante é opticamente inativa e chamada RACÊMICA. Diastereoisômeros: são isômeros ópticos que não são imagens especulares uns dos outros. Ocorre quando a molécula em questão possui mais de um carbono assimétrico. Isômeros ópticos ativos (IOA): 2n sendo que, n=número de carbono quiral na molécula Isômeros óticos inativos (IOI): 2n/2 Exemplo: Calcule o número de carbonos quirais ativos e inativos na molécula de ácido tartárico. IOA:____________ IOI:_________________ 12. Reações orgânicas Cisão ou ruptura das ligações: Uma
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